《Scientific Reports》：Antibacterial bionanocomposite hydrogel based on hydroxyethyl cellulose, poly(vinyl alcohol), and montmorillonite clay as a scaffold for bone tissue engineering application
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为攻克大段骨缺损修复易感染、力学强度不足等难题，研究者设计HEC/PVA-cl-PDMAEMA/MMT纳米复合水凝胶。该支架载环丙沙星后pH响应缓释，42 d降解84.5%，溶血<5%，MG-63细胞增殖115%，兼具抗菌-成骨双功能，为骨TE提供多功能平台。
骨骼虽具自愈能力，但当遭遇车祸、肿瘤切除或老龄化导致的巨大缺损时，自愈“引擎”瞬间熄火。传统植骨、金属内固定或长期抗生素治疗常陷入“力学强度不足、术后感染、二次手术”三重困境，患者苦不堪言。为此，组织工程（TE）提出“支架-细胞-活性因子”三元协同策略，其中可降解三维多孔支架被视为骨再生的“土壤”。然而，现有水凝胶支架普遍存在“软、散、毒”短板：力学弱难以承重，孔隙无序阻碍骨长入，且缺乏原位抗菌能力，细菌一旦“扎根”，骨再生即刻“罢工”。开发既像松质骨般强韧、又能自主抗菌的“智能土壤”成为骨科领域亟待突破的焦点。
Zare S. 团队在《Scientific Reports》2025年在线发表的研究，正是瞄准这一空白。作者首次将羟乙基纤维素（HEC）、聚乙烯醇（PVA）与FDA已认证蒙脱土（MMT）纳米黏土共价编织，构建出新型抗菌生物纳米复合水凝胶HEC/PVA-cl-PDMAEMA/MMT，并物理包载环丙沙星（Cip）。该支架利用自由基原位交联，形成双网络结构：HEC-MA与PVA-MA提供可降解骨架，PDMAEMA链段赋予pH响应与正电荷，MMT纳米片既增强力学又释放Si离子促进成骨。研究系统评估其理化性能、载药-释药行为、血液相容性、抗菌活性及对人成骨样MG-63细胞的增殖效应，为“抗感染-促骨再生”一体化支架提供实验依据。
关键技术方法：1) 自由基共聚-原位交联构建双网络水凝胶；2) 琼脂平板打孔法测定抗菌抑制圈；3) 透析袋法行pH 5/7.4双介质药物释放；4) MTT比色法测MG-63细胞活性与增殖；5) 分光光度法测溶血率及人血清白蛋白（HSA）吸附。
研究结果
3.1 化学结构确认：FTIR显示HEC-MA、PVA-MA在1739 cm出现酯羰基峰，MMT-MPS在2856/2926 cm出现C-H伸缩峰，证实MA与MPS成功接枝。
3.2 形貌与分散：SEM显示支架平均孔径3.7±1.9 μm，孔洞高度贯通；TEM可见MMT片层以剥离态均匀嵌于聚合物基质；XRD证实复合后MMT d峰消失，呈完全剥离结构。
3.3 流变性能：时间-频率扫描显示储存模量G’始终>损耗模量G’’，100 Hz时G’达12247 Pa，表明弹性固体行为，可承受生理应力。
3.4 溶胀行为：在去离子水中300 min达到平衡，最大溶胀率2118±82%，利于养分扩散与细胞浸润。
3.5 降解评估：42 d内pH 5与7.4 PBS分别降解84.5%与75.2%，呈酸敏降解特征，可避免长期滞留。
3.6 血液相容性：500 μg mL浓度下溶血率4.85%，低于国际5%阈值，红细胞膜完整。
3.7 蛋白吸附：2 h内HSA吸附量31.9±4.1 μg mg，氢键与静电作用促进后续细胞黏附。
3.8 孔隙率：酒精置换法测得71.9±3.7%，载药后略降仍保持高孔隙，有利骨长入。
3.9 药物释放：载药量4.22%，包封率42.2%；pH 5下120 h累积释放73.4%，显著高于pH 7.4的42.7%，Higuchi模型拟合最优，提示扩散主导机制，酸性感染微环境可触发“按需释药”。
3.10 抗菌活性：对大肠杆菌（E. coli）与金黄色葡萄球菌（S. aureus）抑制圈分别为30与30 mm，虽略低于游离Cip，但持续释放可延长抑菌时间，MMT自身释放Al亦协同杀菌。
3.11 细胞相容性与增殖：300 μg mL下24 h细胞活力96.2%；72 h增殖率达115.2%，显著高于空白组，表明支架无细胞毒性且主动促进成骨细胞分裂。
结论与讨论
该研究通过“天然多糖-合成聚合物-纳米黏土”三元协同，构建出兼具高溶胀、酸敏降解、优异力学、低溶血及持续抗菌-促增殖特性的多功能水凝胶支架。其pH响应释药策略精准匹配感染性骨缺损的酸性微环境，可实现“感染控制-骨再生”时空耦合；完全剥离的MMT纳米片不仅提升力学，还释放生物活性Si离子，模拟生物玻璃促进骨矿化。相比文献同类支架，该体系在溶胀率、细胞增殖、降解匹配度及血液相容性指标上均表现优异。尽管缺乏体内验证，实验证据链已充分表明HEC/PVA-cl-PDMAEMA/MMT/Cip支架具备进入大动物模型的潜力，为未来临床“抗感染骨替代物”开发奠定材料基础与理论依据。
